Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №02 за 2007 год
В 2003 году корейские инженеры из компании Lims Technology в сотрудничестве с Университетом провинции Чанбук (Chungbuk Provincial University) решили продемонстрировать свою разработку, причем максимально красочно, как это любят делать корейцы. Предварительно был проведен анализ различных состояний испытуемого человека. Пациента вводили в состояние гипноза, пугали, смешили, предлагали смотреть на яркую лампу или, наоборот, погружали в полную темноту. На основе собранных данных на ЭЭГ были выделены признаки, которые с определенной точностью характеризовали состояние человека. Чтобы опыты не превратились в пыточный кошмар, решено было ограничиться эмоциями, в которые пациент может погружать себя самостоятельно.
Если серьезно, то разработчики решили развить работу профессора МГУ Александра Каплана, который занимался составлением каталога так называемых «ЭЭГ-маркеров неблагоприятных функциональных состояний мозга человека». Испытуемый легко может расстроить или рассмешить себя, что моментально отображается на снимаемых с головного мозга данных. Каталог состояний-маркеров позволил точно идентифицировать состояние человека и переводить их в команды роботу. Собрать устройство, которое принимает сигнал ЭЭГ, распознает маркеры и преобразует их в соответствующие сигналы компьютеру, — задача для студента технического вуза.
Этот простой опыт был продемонстрирован по телевидению. Девушка из числа зрителей надела шлем с электродами. Затем ведущий рассказал ей простенькую шутку, заставив ее улыбнуться, — и небольшая игрушечная машинка сдвинулась вперед. Это моментально вызвало бурю восторга в зале и у самой девушки, что в свою очередь еще больше разогнало игрушку. Затем ведущий рассказал грустную историю. Смена настроения участницы немедленно заставила машинку откатиться назад. На этом «обучение» закончилось, и ведущий предложил девушке самостоятельно припоминать что-либо радостное или грустное из своей жизни и таким образом проехать на игрушечном автомобиле несложную трассу.
Зрители поудивлялись и забыли, а профессор Каплан спустя два года хотя и подтвердил большую часть своих первоначальных выводов, но все же отметил, что довольно высокий процент людей не в состоянии адаптироваться к управлению техническими устройствами посредством изменения своей ЭЭГ без помощи мышечного аппарата. И даже те, у кого это получается, не могут долго контролировать свое состояние. Очевидно, что такой способ управления роботами вряд ли годится для управления чем-либо более точным и сложным, чем игрушечный автомобиль.
Клаудиа Митчелл потеряла руку в ДТП и получила взамен «умный» протез, присоединенный к нервным окончаниям
Искусственная рука
Казалось, до решения вопроса управления эрзац-конечностями по-прежнему так же далеко, как и сотню лет назад. Между тем в Шотландии, а затем и в США давно проводят гораздо более сложные исследования, позволившие создать искусственную конечность, управляемую нервными импульсами, но тут уже не удалось обойтись без хирургического вмешательства. Изобретатели из Эдинбургского университета с типично техническим юмором назвали свое детище EMAS (Edinburgh Modular Arm System) — по имени прихрамывающей собаки одного из инженеров. Искусственную конечность, которая имела управляемые узлы в запястье, локте и плече, получил в 1993 году доброволец Кэмпбелл Эйрд (Campbell Aird), лишившийся руки из-за рака. К тому времени это был самый совершенный протез, его стоимость оценивается в 170 тысяч долларов. Он успешно прослужил 10 лет, после чего был взят разработчиками на модернизацию. Точность и качество исполнения механизмов и электроники можно оценить по тому, что Эйрд снова стал заниматься спортивной стрельбой и даже управлять спортивным самолетом. К сожалению, представители университета не опубликовали детальной информации об устройстве протеза. Известно только то, что для управления механизмами используются нервные импульсы в мускулах оставшейся части плеча. Возможно, поэтому данная разработка пока не заинтересовала ни один инженерно-медицинский концерн.
Американцы из Института реабилитации инвалидов в Чикаго повторили разработку шотландцев, но позаботились о более ярком освещении события. Они провели аналогичные операции пятерым мужчинам и одной женщине, по имени Клаудиа Митчелл, потерявшей руку в дорожной аварии. Министерство обороны США уже заявило о планах предоставлять роботизированные руки солдатам, покалеченным во время военных действий.
Потенциал действия нейрона
Нейрон — нервная клетка, через которую передается информация в организме. Она представляет собой морфофункциональную единицу центральной нервной системы человека и животных. Нейроны соединяются друг с другом посредством синапсов, которые делятся на возбудительные и тормозные. Активность первых увеличивает возможность разряда нейрона, активность вторых — снижает. При достижении некоторого порогового уровня возбуждения нейрон генерирует электрический импульс, называемый потенциалом действия. По образному сравнению, ответ нейрона на активность всех его синапсов представляет собой результат своеобразного «химического голосования». После импульса примерно на тысячную долю секунды нейрон становится недееспособным. Этот период нужен для восстановления ресурсов клетки. Совокупность электрической активности нейронов создает вокруг мозга и нервных волокон слабое переменное электромагнитное поле, которое можно регистрировать, например, при помощи электроэнцефалографа.
Ящик Харви
И все же электроэнцефалограф и оба варианта механической руки не так впечатляют, как прямое хирургическое вмешательство в черепную коробку. Как бы качественно ни выполнять съем данных при помощи ЭЭГ, этот метод не позволяет выделять сигналы отдельных нейронов. Даже хирургическая точность при сопряжении нервных окончаний с контактами электродов механической конечности обеспечивает лишь достаточно грубые реакции.
В начале 1980-х годов в американском Университете Джонса Хопкинса группа под руководством Апостолоса Георгопулоса (Apostolos P. Georgopoulos) стала проводить опыты по регистрации активности одиночных нейронов. После двух с лишним лет в экспериментах на моторной коре головного мозга макак было обнаружено, что активность некоторых нейронов меняется, когда обезьяна двигает рукой в определенном направлении. Каждый нейрон настроен на свое направление, вызывающее у него максимальную активность. При отклонении от этого направления активность клеток снижается пропорционально косинусу угла. Стало ясно, что можно с большой точностью расшифровать сигналы группы нейронов, отвечающих за движение конечности.
Однако более точных результатов нейрофизиологи не могли добиться очень долго. Применяемые в то время электроды внешне напоминали швейные иглы. Они могли эффективно работать лишь несколько часов, пока у их кончиков не скапливались химические компоненты клеток, из-за чего чувствительность катастрофически падала. Кроме того, острие электрода с относительно большим диаметром повреждало нейроны даже при незначительных смещениях головы. Поскольку клетки головного мозга не генерируют болевые импульсы, определить наличие повреждений по реакции подопытного животного практически невозможно — дискомфорта оно не чувствует.
Дистанционно управляемая мышь Хилари с видеокамерой на спине. Имплантированные в мозг электроды заставляют ее по команде менять направление движения
Только в 1990-х годах в Университете Ханеманна Мигель Николелис (Miguel A. L. Nicolelis) и Джон Чэпин (John K. Chapin) применили гибкие электроды с тефлоновым покрытием и диаметром острия около 50 микрон. Результат оказался ошеломительным: удалось снять данные сразу с 48 нейронов головного мозга крысы. Причем одновременно регистрировалось как восприятие сенсорной информации, так и ответная регуляторная активность. Через некоторое время инженер-электронщик Харви Уиггинс (Harvey Wiggins) сконструировал устройство, которое обеспечивало выборочный анализ, фильтрацию и усиление нейронных сигналов. Этот аппарат был окрещен американскими нейрофизиологами «ящиком Харви» по аналогии с «волшебным ящиком» иллюзиониста Гудини.
Ящик Харви продемонстрировал свои возможности в первом же эксперименте Джона Чэпина. Крысу с вживленными электродами поместили в клетку с небольшой педалью, при нажатии на которую появлялась порция воды и пищи. Когда крыса научилась обеспечивать себя кормом, педаль отключили, а вместо нее к дозатору кормушки подключили ящик Харви. После некоторого привыкания крыса стала управлять кормушкой прямыми сигналами мозга. Затем педаль убрали вовсе. Это заставило крысу изрядно понервничать, но через некоторое время ее мозг сгенерировал алгоритм, соответствующий нажатию на педаль. Образно говоря, животное «представило» процесс нажатия. И кормушка сработала.
